时间：2023-12-09 19:20:05
Abstract： Super capacitor， also known as Fala capacitor. Super capacitor is safe， energy saving， environmentally friendly and reusable. So it has increasingly become the theme of power supply of all kinds of electronic products such as car audio， telephones， smart appliances， meters， tax control machine， vehicle traveling data recorder， children toys， recorder， and lamps. This paper mainly introduces the general idea of the power supply of the backup data in the electronic energy meter， and introduces the super capacitor selection， charging circuit design， PWM modulation control circuit and discharge circuit design. The design has the characteristics of energy saving， long service life， saving device and human cost.
关键词： 超级电容；电子式电能表；充电电路；PWM控制电路；放电电路
Key words： super capacitor；electronic watt-hour meter；charging circuit；PWM control circuit；discharge circuit
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0106-03
0 引言
随着科学技术发展，电子式电能表取代机械式电能表已近完成，而电能表作为电能计量标准器具，其数据安全对于国家电网、电力局和终端客户都是最为重要的内容。据不完全统计，1986年以来国内电能表更替数量约10亿只，其中电子式电能表已超过4亿只，亦有4-5亿只迭代需求，另海外有至少5亿只的市场容量，作为电子式电能表的心脏―电源，直接关系到电能表的使用寿命和数据安全。目前绝大多数电子式电能表用锂电池，锂电池本身固有缺陷如不可重复利用，污染环境，废电池不易回收，环境温度过高易发生爆炸等。在此种背景下，电容器的发展逐渐达到法拉级，并且具有10万次以上的充电寿命，过充过温无危险，大能量体积比，被各界称为环保绿色能源。另外由于等体积超级电容所含的电能接近锂电池的容量，所以超级电容作为一种新型储能装置，具有显著的特点和优势，可以在某些领域取代传统蓄电池。考虑设计一种电路，超级电容能适合不同的供电电源，整个电能表平稳工作，从而为电能表数据安全的提供可靠保障。
电路总体架构：
本设计电路总体结构如图1所示。它包括充电电路、PWM调制控制电路、超级电容电路、放电电路。
架构图可以清晰看出，充电电路经过PWM调制控制电路，对超级电容选择电路的充电，进而通过放电电路实现对主板的供电。各个电路参数相互影响，故设计上，需综合考虑才能使整改电路利用更实用更可靠。
整个实际电路设计主要从以下方面考虑：
A、 超级电容选型；
B、 充电电压设计；
C、 PWM调制控制与供电电源相关性；
D、 超级电容电压检测与主芯片运行机制；
E、 放电电阻选型。
基于上述几方面考虑，整体参考电路图如图2所示。
各参数解释如下：
VCC：超级电容充电电压；
VBAT：主芯片掉电供电电压；
CAPCON：PWM调制引脚；
XJ1：超级电容短接点；
JP5：超级电容电压测试点；
R918：充电限流电阻；
V909：PNP型三极管；
910：双二极管或二极管
R925：V909基极射极反馈电阻；
R927：基极限流电阻；
V911：NPN型三极管；
R929：V911基极射极反馈电阻；
R932：基极限流电阻；
C920：超级电容1；
C923：超级电容2；
C919：超级电容3；
C918：超级电容4。
结合参考电路设计，对各方面注意点进行详细分析阐述。
1 超级电容选型电路
超级电容选型电路，如图3所示。
1.1 超级电容定义
超级电容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器（Electrochemical Capacitors），双电层电容器（Electrical Double-Layer Capacitor）、法拉电容。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
1.2 超级电容主要参数
电压、容量、极性、温度、自放电与漏电流等。
1.3 超级电容分类
按作用原理：主要划分成双电层型超级电容器、赝电容型超级电容器等两大类；
按电解质：主要包括水性电解质、有机电解质两大类；
按外形： 主要分为柱状、纽扣状（V型、H型、C型）两大类；
按温度特性：主要分为普通、抗高温型两大类。
1.4 超级电容选型
超级电容在电子式电能表中应用主要从下几方面筛选：
①电压：电子式电能表系统电源为3-5V系统不等，而在该范围可以柱状体单颗2.75V或3V，纽扣状单片1.4V或2.75V，所以大多数使用需选择两颗串联方式已达到系统使用条件，但此时需注意两颗串联需加平衡电路或转对批次进行严格筛选，否则可能出现单颗过冲损坏现象；
②容量：根据掉电使用时间或数据保存时间进行选择，一般选择常规值有0.22F，0.5F，1.0F，1.5F，2F，4F，5F等，使用过程中可据实际情况选择搭配，如单颗无法满足需求可使用两颗或多颗并联达到理想容值；
③温度：根据实际使用环境温度进行选择，普通温度为-25-65℃，抗高温为-25-85℃。另温度对电容寿命影响较大，业内一致认定温度每升高10℃，寿命减少一倍；
④外形：根据实际PCB尺寸，尽可能选择小型化，柱状或V型纽扣状，以实现尽可能少占空间。
基于上述几方面原因整体参考电路分别配置并联（C920、C923并联）、串联（C919、C918串联）方式原理图，XJ1为生产短接点，JP5为超级电压测试点，主要考虑产品生产所用，具体使用可据实际情况灵活选择。
另需注意：超级电容制作过程本来无极性，仅出厂前进行充电后确认极性，实际使用过程中反响充电不会坏，但影响使用寿命和实际容量。
2 充电电路设计
充电电路主要包括VCC、R918、V909、VD910，如图4所示。
2.1 超级电容充电电压
VCC为超级电容充电电压，该值根据主芯片或备用电源系统进行选择，同时结合超级电容额定电压、控制电路三极管压差和二极管压差综合考虑，如主系统工作范围为2.7-5V，工作范围较宽，工作时间为40h，V909导通电压为0.3V，VD910导通电压0.3V，故此时VCC选择应为5.5V，以为落在超级电容两端实际为4.9V，如此设计可既满足电压设计有留有余量，因为充电电压在温度稍高情况下，亦会影响超级电容本身寿命，部分生产厂家非正式提出对应关系，充电电压每下降0.1V，超级电容寿命增加1倍，但需要实际数据支撑。
2.2 充电限流电阻
R918为充电限流电阻，该电阻阻值选择主要取决于充电电源供电能力。阻容电源供电能力较弱，选用阻值需相对较大，是整个充电电流在5-10mA，以上述4.9V充电电压为例，阻容半波电源宜选用5mA，电阻应为980欧，但选标称阻值应为1k欧，具体可根据实际情况进行自选，可参考计算公式，如公式1所示。
R=U/I （1）
2.3 控制三极管
控制二极管主要作用为控制充电的通断，进而实现电子式电能表电源的稳定；V909为PNP型三极管主要考虑控制方向、功耗等级、压差，根据实际电路而定，现参考电路选择PNP性三极管集电极发射机导通后电压为0.3V左右，高温情况下，压差会有所减少。
2.4 二极管
VD910二极管主要起到单相导通作用，防止超级电容电压反灌会充电回路，可据实际电路选用肖特基（肖特基二极管为0.3V）或普通二极管（4007二极管为0.7V），一般压差越小越理想。
3 PWM调制控制电路
3.1 PWM波形调制原理
PWM波形有三个参数，分别为周期T，脉冲宽度t1，脉冲空宽度t2。三者关系为T=t1+t2。
该PWM调制波型和充电电源供电能力和超级电容两端电压有关系。如充电电源供电能力较弱或超级电容电压较高，可PWM调制波可控制占空比较小，其他可据后续变化，按比例调整占空比，可参考公式，如公式（2）所示。
τ=t1/T（2）
τ为占空比。
PWM波形调制，实际调制脉冲宽度t1，即τ值。
CAPCON为芯片控制引脚，取决于芯片定时器输出的数字信号，直接控制开关三极管的通断，进而实现超级电容的充电状态。
3.2 开关三极管
V909、V911为PWM调制控制电路开关三极管，主要根据控制脚的指令惊醒通断点，该处三极管选择尽可能压差小为优，另选择PNP、NPN型相互配合。
3.3 反馈电阻
R925、R929为两个开关作用三极管反馈电，阻值可据实际情况进行选择。
3.4 限流电阻
R927、R932为限流电阻，控制开关三极管的基极，阻值可据实际情况进行选择。
4 放电电路
放电电路如图6所示。
4.1 保护电阻
R931为放电电路保护电阻，防止静电等意外高压对主芯片I/O口的冲击，同时防止超级电容的过放，该阻值选择一般需考虑电阻功耗、放电电流、芯片工作范围，需据实际电路选择标称阻值，兼顾阻值尽可能小原则，如放电电电流为30uA，最小电压工作范围2.7V，R931选用了0.125W，5.1欧电阻。
4.2 电压检测引脚
VBAT为芯片掉电供电引脚同时具备电压检测功能，芯片需据该点电压值进行PWM调制波型，另掉电后可据电压检测实际值，调整软件处理方式，从而提高数据及系统运行可靠性。如检测到电压已掉落到工作范围边缘，软件可控制不进行数据存储和其他数据处理，程序仅运行值规定的范围内知道电源恢复正常为止，进而实现系统可靠性运行。
作为电子式电能表备用电源，本设计与锂电池对比如表1。
5 总结
超级电容器作为新兴的电源方案，其无以伦比的优势，逐渐在各行各业广泛使用，但在使用过程中并非每一个方面都是优越的，这就要求在运用超级电容器时能熟练掌握该装置的优缺点。受到制造技术的限制，我国在使用超级电容器时还存在安装、调试、材料等方面的不足。不少设备因盲目使用超级电容器造成电路故障，影响了整个设备性能的发挥。
本设计采用独特的设计思路，且在电子式电能表上已经过大量时间、实验的验证，可高效、可靠的应用于电子式电能表上，其他电子产品可据上述分析，适度取用。
参考文献：
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[6]牧伟芳.超级电容器的应用与展望[J].2010.
关键词：超级电容；电机；蓄电池
1.前言
目前，内燃机车柴油机的起动大多数是利用蓄电池给直流起动电机供电，起动电机得电后，经过柴油机与直流起动电机之间的起动变速箱的变速，拖动柴油机至发火转速后，柴油机正常运转，这时停止直流起动电机供电，柴油机起动完成。这种起动方式，在柴油机开始转动的瞬间，蓄电池要大电流深度放电，对蓄电池的使用寿命将产生很大影响，对蓄电池的容量要求较高。为改善这种传统的起动方式对蓄电池产生的影响，应用超级电容装置辅助蓄电池进行柴油机的起动，以达到大大提高起动效率、提高蓄电池的使用寿命、减小经济损失的目的。
2.传统柴油机起动电气原理
目前，由蓄电池单独供电的柴油机电起动电路如下图1所示。
蓄电池闸刀开关1QS闭合，滑油泵接触器3KM1闭合，滑油泵3MA给机车各运动部件提供，燃油泵接触器4KM1闭合，燃油泵4MA给机车提供燃油，机车进入准备起机状态。由控制系统使起动接触器触头6KM1闭合，通过蓄电池闸刀开关1QS闭合形成回路，蓄电池给起动电动机起动绕组2MA1提供大量电能，释放大电流，起动电机作为串励励磁电动机旋转，通过变速箱带动柴油机起动。
这种传统方式起动柴油机，起动电流大，蓄电池作为唯一的能源，需要释放大电流，消耗的能量较大，容易造成蓄电池的深度放电，影响蓄电池的使用寿命。
3.应用超级电容装置的柴油机起动工作原理
应用超级电容起动柴油机的电路图如图2所示，
超级电容器辅助蓄电池进行内燃机车柴油机电起动的方法，包括以下步骤：接通蓄电池同时起动滑油泵电机和超级电容器先后关闭超级电容器和滑油泵电机起动电机通电柴油机转动起动电机断电柴油机起动完成。
4应用超级电容装置起动柴油机的起动控制
超级电容器辅助内燃机车柴油机电起动时的控制技术是利用柴油机起机前柴油机预供油的时间，由自动控制装置控制超级电容器的充电过程，当柴油机的预供油时间结束时，超级电容器预存的能量与蓄电池并联共同作用于柴油机起动电机，使柴油机快速起动。电路图如图3所示。
1）万能转换开关20SA设置在“自动”位，微机LCS32检测到起动按钮1SB1信号有效，并满足柴油机起动限制条件时，微机LCS32控制燃油泵接触器线圈4KM 得电、滑油泵接触器线圈3KM得电、燃油泵接触器主触4KM1闭合、滑油泵接触器主触头3KM1闭合，分别接通燃油泵电机4MA、滑油泵电机3MA工作电路，微机LCS32同时控制充电接触器线圈CKM1得电、充电接触器主触头CKM1闭合，接通超级电容器CC的充电电路，开始超级电容器的充电过程；同时燃油泵接触器辅助触头4KM2、滑油泵接触器辅助触头3KM2、、充电接触器辅助触头4KM2闭合，将动作信号反馈给微机LCS32。由于内燃机车对柴油机有一个预油的时间，超级电容器的充电过程，就是在此时完成。通过对充电电阻R2的选择，确保在预油的时间里完成充电过程。当微机LCS32设定的柴油机预油时间到达时，微机LCS32断开滑油泵接触器线圈3KM的电源，则滑油泵接触器主触头3KM1和滑油泵接触器辅助触头3KM2断开；同时微机LCS32断开充电接触器线圈CKM1的电源，充电接触器主触头CKM1和充电接触器辅助触头CKM2断开，则滑油泵电机3MA工作电路和超级电容器CC的充电电路分断，微机LCS32同时还驱动起动电机接触器线圈6KM得电，则起动电机接触器主触头6KM1和起动电机接触器辅助触头5KM2闭合将信号反馈给微机LCS32，接通起动电机2MA工作电路，超级电容器上述预存的能量与蓄电池并联共同作用于柴油机起动电机2MA，使柴油机快速起动；当柴油机起动后，微机LCS32使起动电机接触器线圈6KM失电，则起动电机接触器主触头6KM1和起动电机接触器辅助触头6KM2断开，起动电机2MA失电，完成柴油机起动过程。
2）万能转换开关20SA设置在“手动”位，充电接触器主触头CKM1由人为操纵，可人为对超级电容器进行充电，此时微机自动控制系统解除对超级电容器的充电控制程序，这样可实现充电手动控制，以便检查超级电容器的充电性能。
3）万能转换开关20SA设置在“切除”位时，充电接触器线圈CKM1不能得电，充电接触器主触头CKM1不可以投入工作状态。此时放电电阻5R接入电路中，此电阻并联在超级电容器两端，可将蓄电池上的剩余电压放掉，从而实现对电路的检查维护。
5.参数的选择
5.1 超级电容参数的选择
由于是利用蓄电池充电，所以超级电容的电压应与蓄电池电压相近；超级电容的容量选择依据放电电流的大小和放电时间决定。
5.2 充电电阻和放电电阻
根据公式R=t/C，t为充放电时间，在充电时t的设定应小于预油时间，C为超级电容容量。在放电时，如果想快速放掉超级电容的电，可以把放电电阻5R短接，缩短放电时间，但是这样做的电流非常大，具有一定的危险。
6.应用超级电容的优越性
1）超级电容的充电时间是利用蓄电池给柴油机打滑油的时间内完成，由系统微机控制系统自动完成，不增加额外的起机时间、司机不增加任何操作指令，与传统起机方法一致。
2）超级电容充电电阻R2的设定是保证超级电容的充电电流不至于过大，击穿超级电容。同时电路中还设有放电电阻5R，通过5R释放超级电容的电量，保护维修人员的安全。
3）利用超级电容器的蓄能作用，在柴油机起动的瞬间投入工作，与蓄电池共同给直流起动电机供电，在超级电容和蓄电池的共同作用下，直流起动电机将得到更多的电能，使柴油机起动加速，缩短柴油机起动时间，减少了柴油机的起机供油，减少了柴油机起机冒黑烟现象，具有节能环保的效果。
4）在超级电容和蓄电池的共同给直流起动电机供电，由于超级电容的辅助起动作用，蓄电池减少了深度放电过程，可提高蓄电池的使用寿命，节约经济成本。
7 实际应用
超级电容在我公司出口沙特机车上和大功率调车机车上成功应用，其中还有需要改进之处，达到人性化设计，例如在放至位置附近设置超级电容电压指示灯，当超级电容电压高于人体所能承受的电压36V时，应有警示指示灯，以防对操作人员造成人身伤害。
参考文献
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[2]唐西胜、齐智平 超级电容器蓄电池混合电源[M] 电源技术，2006.11：933-936
关键词：能源；碳电极超级电容；研究分析
1 碳电极超级电容
超级电容所应用的电极材料一般为碳电极材料，碳材料的研究要追溯到二十世纪五十年代Beck发表有关碳材料的研究成果，距今已经有六十多年的发展历史，由于它的来源丰富，品种繁多，以及良好的导电性、抗腐蚀性、密度小等优点被大量用于电极材料的研究，目前有很多已经成功转型为工业化的产品。常用的炭材料来源有：活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、有机物的碳化物等类型研究的比较多，其中碳纳米管类的中孔、微孔炭材料是目前研究比较热门的新型炭材料。
众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两电极的表面上形成紧密的电荷层，即双电层它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。
根据双层理论的描述，炭材料存储能量主要是依靠储存在电极/电解液界面的双电子层，它的实际比电容和电极材料的导电性、比面积、润湿性、孔隙率分布、活化温度等因素有关，除了这些影响因素之外还与电极所处的电解质环境有关。由于影响因素太多，这导致了应用碳材料的超级电容有内阻较大，导电性较差，并且比容量相对较低等缺点。
2 TRIZ原理对超级电容的改进
TRIZ是“发明问题解决理论（Theory of Inventive Problem Solving）”的俄文单词的缩写，它已经是具有普遍适用性的一套可以发现问题并能找到解决方案的发明理论[8]。以技术系统进化法则作为理论基础，把技术系统和技术过程、存在于技术系统和技术过程中的矛盾、解决矛盾所需的资源、最终理想化解决问题的方向为四大基本概念，包含了解决工程和其他复杂问题所需的一系列分析和算法。
利用TRIZ理论进行不断创新设计，主要就是发现并不断解决技术系统中在优化设计过程中存在的矛盾问题。技术系统的不断进化就是对在不断解决矛盾问题的过程中实现的。
根据以上文章中提到我们认为以碳作为电极的超级电容主要存在能量损耗的问题（因为碳电极内阻较大）我们对该参数进行改良时发现可能恶化的参数是速度，我们用TRIZ原理中的阿奇舒勒矛盾矩阵表解决该问题，其过程如下；改善的参数为能量损耗，恶化的参数为速度。由矛盾矩阵表查到发明原理为：
（16）未达到或过度作用。如果期望难以100%的实现时，则应部分达到或超越理想效果，大大简化问题。（35）相变。改变物体的物理状态或者改变浓度、密度、灵活度、温度、体积。（38）加速氧化原理。加速物质的氧化速度。
根据以上几个发明原理我们改良后的电极应有以下几个特点：（1）电阻小； （2）状态可变性大；（3）易被氧化还原。
根据以上所得出的改进参数结合焦点客体法（焦点客体法：为了克服与研究客体有关的心理惯性，将研究客体与各种偶然客体建立联想关系。）
笔者查阅相关文献发现自从二十世纪七十年代科学发现聚乙炔的导电性以来，导电高分子聚合物也称为导电塑料的研究进入到了一个白热化的时代。Macdiarmid 等对聚苯胺做了较为系统的研究。相对于其它共轭高分子而言，聚苯胺原料易得、合成简单、具有较高的导电性和潜在的溶液、熔融加工可能性，同时还有良好的环境稳定性，作为导电聚合物材料的明显代表，聚苯胺由于它的易于聚合、易掺杂、低密度、低成本、高电容的优越性能多应用于超级电容器中的电极材料。理论上讲掺杂度在 0.5 的聚苯胺的最大工作电压为 0.7V，在此条件下它的理论比电容为 750F/g，在同类型的有机聚合物的研究中算是最高的。
3 结束语
通过TRIZ理论的数据分析，我们得出应用聚苯胺作为电极材料的超级电容可能会有广阔的市场前景。
关键词：超级电容、电梯节能控制、控制技术、研究
Abstract: with the popularity in all walks of life in the use of the elevator, the elevator in ensuring the safe operation of the premise that more and more people pay attention to problem of the energy consumption of elevator, elevator energy consumption control technology has considerable economic benefits and long-term social significance in the current social development. In this paper, a simple description of the application of super capacitor in the elevator energy-saving.
Keywords: super capacitor, elevator, control technology, research
中图分类号： TU857 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
选择合理科学的电梯节能系统，利用计算机计算电梯在运行中所需要的功率与电梯单方向运行时回馈最大能量吸收基础上，研究人员提出了超级电容这种设计方案。该方案通过变频器Simulink仿真分析，研究了空载到电动状态、空载到发电状态和曳引机空载三种状态，提出超级电容电梯节能系统控制技术，使超级电容实现应急电源与能量缓冲功能。据研究表明，超级电容特别在大功率电器具有很好的发展空间。
据数据显示我国建筑物能耗占全国总能耗的28%，其中空调是这28%的总能耗占主要部分，其次则是电梯的能耗，并且远远高于照明和供水的能耗。正因为如此，电梯的能耗问题才能引起各方人士的高度关注，研究电梯的能耗控制技术在目前很有发展空间。电梯的主要耗电在于驱动轿厢升降的曳引机，电动机驱动负载轿厢过程中消耗的电能占总耗电能70%以上，由此可以看出研究电动机拖动系统是整个电梯节能中最关键的一环。
一、电梯能量回馈技术特点分析
电梯驱动系统是电梯技术中关键的运动控制系统，包括了电梯在运行中的启动、加速、恒速、减速等多个状态。目前的电梯驱动系统运用的是成熟变频调速技术，该技术已经成功取代了过去交流双速驱动系统和直流无齿轮驱动系统，有效的节约了耗能的同时还提高了电梯运行性能。在电梯运行过程中，如何能提高驱动系统的运行效率是整个研究的重要方向。我们知道在电梯轻载上行与重载下行时，曳引机将作为发电机运行，此时发出了再生电能，电梯中能量回馈装置便有了很客观的回馈电能回收。当电梯额定速度过快，上升高度越高则节能效果越明显，反之则节能效果不是很明显，所以电梯在低速中很少运用。
如果运用逆变器将再生电能回馈给电网，曳引机处于电动状态时，则与平常的交直交变频器工作基本一样，如果曳引机处于发电状态时，则逆变器将电梯中的再生电能回馈给电网。因为逆变PWM脉宽设置，回馈给电网的电能其中有5%-7%的电能会发生电流谐波畸变，从而影响电源和电磁干扰，加剧对硬件设施的破坏。虽然能量回馈技术已经较为成熟，但是由于它的价格因素和对电网的影响，在实际普及推广中有较大的难度。
如果运用电池吸收回馈能量电池组，它利用双向DC-DC和变频器的直流母线相连，曳引机电动状态时，电池进行恒流放电，曳引机发电状态时，电池开始充电，充电电流可以根据曳引机回馈功率加以控制。此方案仅在理论上可以运用，实际中电池要时常进行更新，回收的能量也是有限的，所以在实际运用中也相对较少。
二、电梯节能系统设计
电梯节能系统设计和功能的实现要满足功率有效的分配和能量合理流动，需要对DC-DC在多种状态下工作进行合理的控制。本系统控制电路运用的是DSP数字控制。本系统利用DSP控制双向DC-DC实现控制电能流动。DSP控制指令是根据收集到的超级电容电流IA、超级电容电压UA，DC-DC和直流母线间的电流IB与电压UB，再对DC-DC变换器输出电流和电压进行控制。如果超级电容充电电流和超级电容的电压超出了额定范围时，则PWM停止输出，DC-DC也同时停止作业。所以在设计超级电容时应该注意电容的最低储存是能将电梯从最底层到最高层时回馈的最大电能吸收，多出的能量仍旧利用制动电阻加以消耗。不仅如此，超级电容还有一个重要的作用，在紧急的情况下，超级电容能给电梯提供额外电能。
三、电机发电状态下的控制
电梯运行中规范的电机要求的功率应当要小于零，这时表明曳引机正处于发电状态，它的控制规律为直流母线电压达到上限，电容电量SOC未达到最大值，电容开始充电，如果电容已满，则直流母线开始放电。由上述规则针对曳引机在运行过程中电梯节能系统的基本控制，再通过交直变频器的Simulink仿真，可以看出本电梯节能系统具体控制方法是曳引机在电动状态下时，整流器输出的电流超出了空载尖峰电流作为判断条件，如果这时的超级电容的电压比135V高，双向DC-DC开始工作，它的控制方式大概分为2种。其一是超级电容开始放电，对双向DC-DC进行电压控制，使双向DC-DC输出的电压恒定是三相电压的整流峰值，直到超级电容的电压下降到DC-DC时停止作业。其二是我们设定一个数值为某一恒定值I，超级电容按这个恒定数值进行恒流放电，这时对双向DC-DC闭环电流控制，当超级电容的电压下降到135V时停止作业。这时电梯负载的重量与轿厢的行程距离函数就是曳引机平均需求功率meanl P。下图是电梯在满载情况下meanl P随行程改变的分布图：
根据轿厢重量感应器与电梯选层按键信号计算可以得出meanl P，如果这里我们不考虑传动系统和效率这个因素，根据I/meanl 20011可以得出I数值，图中00401是超级电容的电压。此种电流值确定方案有一个缺陷，就是我们需要收集电梯控制柜里的多个信号，实际操作起来比较麻烦。这里提出一种较为简单的方案，我们可以通过实验选取某一恒定电流值I，如果该恒定电流值I过大就会直接影响超级电容放电效率，如果过小会使得超级电容放电时间太长，不能及时的排放完超级电容内的存储能量从而影响下次的回馈能量吸收。所以电流值I的选取需要考虑2个方面：一是超级电容的放电效率；二是超级电容的放电时间。一般的选取恒流放电方式在应用中比较合理。
四、结束语
为了在电梯运行实际中取得更好的节能效果，选择合理的电梯节能结构在实际运行中显得尤为重要。本文提到的电梯节能系统，在合理计算电梯运行中曳引机需求的平均功率和电梯单方向运行完回馈的最大能量吸收的基础上，提出超级电容这个设计方案，该方案在存储能量上能做到较好的完成任务，同时也能使超级电容容量将到最低。运用Simulink仿真技术分析，对曳引机空载、空载到电动、空载到发电三种状态给出了超级电容电梯节能系统控制策略，在实际电梯运行中应对紧急状态应急电源和能量缓冲功能，做到比较高的充电放电效率。通过研究，超级电容在大功率的电子产品中有较好的发展前景，特别是在电梯中实际运用中，还有很好的发展空间。
参考文献：
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[3]周小杰,曹大鹏,阮毅.超级电容储能装置在电梯中的研究与实现[J].电力电子技术,2011,(01):101-103.
关键词：超级电容 控制系统 节能
中图分类号：U674.31 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-042-02
1 引言
船用抓斗挖掘机是用于内河清淤、港口建设的船用设备，它利用船上的柴油发电机组发电，供机器上的电气设备使用。船用抓斗挖掘机通常有三个主要动作机构：提升机构、回转机构和变幅机构。
典型的船用抓斗挖掘机的控制系统采用变频驱动技术，将来自柴油发电机组的交流电源通过变频器的交直流转换装置整流成为直流电源后挂在直流母排上，再经逆变器驱动电机工作。但传统的船用抓斗挖掘机系统存在严重的能源浪费和环境污染问题。若将超级电容节能装置并联入变频器直流母排上，则可有效储抓斗下降的势能，以提供抓斗提升加速时使用。图1为超级电容节能装置整体结构示意图。
本系统作为抓斗作业装置势能及其制动能量存储装置和抓斗提升时能量来源之一，除了实现整机的节能运行，即超级电容节能装置的充放电；还要具有显示、通信及其检测功能。本论文设计的结构如图1所示。
超级电容节能装置主要由以下几部分组成：
（1）超级电容组：用于能量存储。
（2）超级电容电源管理模块：用于实现超级充放电时的均压、均流管理。与整机控制系统PLC的通信。
（3）双向DC/DC装置，连接于超级电容组与提升变频器直流母线直接，实现提升机构的充放电管理。实现信号采集与控制，有电流电压检测模块。有欠压，过压保护电路等保护电路。
（4）单项DC/DC装置，连接与超级电容组与回转变频器直流母线直接，实现回转制动时能量的回收。根据直流母线的电压值来决定充电电流的大小。装置也带有过电流保护、过电压保护以及控制逻辑硬件保护电路。
2 节能原理
节能装置设计的主要工况包括：
（1）抓斗提升时，电机工作于能耗状态，当发电机组输出的电流超过额定值时，双向DC/DC工作于升压模式，超级电容放电与发电机组一起供电。
（2）抓斗下降时，电机工作于再生能量状态，双向DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。
（3）机器回转制动时，回转电机工作于再生能量状态，单项DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。
（4）当超级电容节能装置故障时，输出故障信号给整机控制系统，整机联锁，停止工作。
超级电容节能装置双向输出端并联入提升变频器的直流母线，单项输出端并联如回转变频的直流母线。
当抓斗下降或制动处于能量再生状态时，电机反转将再生能量转换成电能，再通过变频器的逆变器流入直流母线，这时超级电容节能装置的DC/DC装置处于降压工作模式，再生能力通过DC装置，由直流母排流入超级电容组存储起来。
船用抓斗挖掘机抓斗作业装置加速时和抓斗离开水面瞬间，对柴油发电机组提出非常高的功率要求，需要提供瞬时大电流。本系统利用超级电容对抓斗作业装置下放及其制动时能量存储后，利用超级电容大电流放电的特性，补充这时所需的瞬时功率，这样既充分利用了原先通过电阻耗散掉的能量，又可以减少柴油发电机组超负荷运行时对环境的污染及其能耗的消耗。
3 超级电容节能装置硬件
本文所研究的超级电容节能装置在硬件设计方面集信号采样处理、显示、通讯和控制等功能为一体，系统硬件结构如图2所示。
主回路包括超级电容组及其相关电路，双向DC/DC主回路，单项DC/DC主回路。其中超级电容与双向DC/DC低压端相连，双向DC/DC高压端与提升变频器母线相连。单项DC/DC装置低压侧与超级电容相连，高压侧与回转变频器母线相连。除了主回路外，硬件系统中还包括电容均衡及其管理系统，DC/DC及其控制电路和通信电路等。
3.1超级电容器的选择
要使船用抓斗挖掘机混合动力系统能够安全稳定有效工作，达到预期目的，超级电容选配是关键。选择超级电容器产品应综合考虑等效串联电阻（ESR）、漏电流和体积等因素，ESR越小，放电效率越高、放电电流也越高，同时充放电过程产生热量也越小，有利于散热；漏电流是超级电容器电荷保持能力的标志，需要尽可能低的漏电流；超级电容器的体积越小越好，以便应用时尽可能少占用设备空间。
综合以上因素我们选择了如表1技术要求的超级电容。
3.2 超级电容系统管理系统的选择
超级电容管理系统的目的主要是实现对超级电容组的监控与管理，同时实现与整机控制系统的通信，在设计中我们选择了西门子PLC-200作为超级电容关系系统的控制器，实现对超级电容首次充电时的均压管理，充放电时的电压电流管理。确保超级电容组工作在设定的范围。装置设有过压、欠压报警。实现对充放电电流上限的限制，使电流工作在最大电流值以下，确保装置的安全与可靠。
3.3 双向DC/DC性能参数的确定
（1）正向输入电压。Vci =480～340V（电容器输出，电容电压变化范围），当Vci ≤340V时，DC/DC自动停止正向输出。
（2）正向输出电压。Vdo变化范围在513V（根据变频器直流母线电压变化确定，母线电压变化范围在500～560V）。
（3）正向输出功率。Po=250kW，Pomax=375kW（60s）
（4）反向输入电压。Vdi=500～690V（再生能量回馈过程）
（5）反向输出电压。Vco=340～480V （向电容器充电），反向输出为分段恒流限压充电模式，第一阶段充电电流480A，达到480V时转入第二阶段，第二阶段电流240A，当电容器电压再次达到480V时，停止充电。
（6）反向输出功率。Pco=200kW。
3.4 单项DC/DC性能参数的选择
（1）输出电压。V=480～340V（电容电压变化范围），当V480V时，DC/DC自动停止输出。
（2）输入电压。V变化范围在510V～690V（变频器直流母线电压变化范围）。
（3）输出功率。P=180kW，Pmax=200kW（60s）。
4 系统软件实现
超级电容管理系统PLC主程序主要完成数据初始化、故障综合、电流电压A/D采样、手动充放电、重要信息及时通信等功能。系统采用故障信号进行冗余判断的方式，提高了系统运行的可靠性，同时增加超级电容故障综合诊断的设计。
DC/DC装置自带的单片机控制器，通过编程实现对发电机组输入电流的PID跟踪功能。通过编程实现对输入输出电流电压的实时跟踪，确保系统工作在设定的电压与电流范围能，保证系统安全可靠的工作。
其中，DC/DC跟踪柴油发电机输出电流值来决定超级电容节能装置的工作状态，当柴油发电机组电流值大于设定的放电电流值时，超级电容放电。当柴油发电机组输出电流小于设定的充电电流值时，超级电容进入充电状态。如图3所示。
5 实现结果
综上分析，超级电容发挥了以下的作用：首先是取消了能耗电阻，而更具有意义的是，超级电容保存了所有机构反馈的能量，避免了反馈能量的白白损耗，同时在荷载突增的情况下（起升瞬间）提供补充能量，平稳发动机工作状态，达到节能的目的。
参考文献：
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[5] 李贵远，陈勇.动力电池与超级电容混合驱动系统设计与仿真[J].系统仿真学报，2007，19（1）：101-105.
关键词：超级电容器，航空地面电源
1 引言
1.1简介
超级电容器是近十年来出现的最为与众不同的电容器。论文大全。超级电容器的问世实现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻底改变了人们对电容器的传统印象。
超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电容量极大的电容器。根据电容器的原理，电容量取决于电极间距离、介质与电极表面积。为了得到如此大的电容量，超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积，为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极。双电层介质在电容器两电极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极，两电极的距离非常小，仅几纳米，同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m2／g，因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。图1为超级电容器的结构示意图。就储能而言，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。
当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。
1.2超级电容器的优缺点
1.2.1优点
（1）更长的循环寿命，能够循环百万次以上；
（2）低阻抗，和电池并联时能够增强负载电流；
（3）迅速充电，超级电容器能够在几秒钟内充满；
（4）简单的充电模式，无需检测是否充满，过充无危险；
（5）具有法拉级的超大电容量；
（6）脉冲功率比蓄电池的高近十倍；
（7）能在-40℃～60℃的环境温度中正常使用；
（8）无污染，真正免维护。超级电容器用的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池用的材料具有毒性；
（9）超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，采取均压措施后，还可以串联使用。
1.2.2缺点
（1）线性的放电曲线使其无法完全放电；
（2）低能量密度，一般只有一个化学电源能量密度的五分之一到十分之一；
（3）低电压，需要若干个连接后才能得到高电压，3个电容以上串联时需要平衡电压；
（4）高自放电，自放电率高过化学电源。
由此可知，超级电容器具有很好的性能，但是超级电容器目前还不能完全代替电池，因为超级电容器的应用特长是功率的输入/输出，而不是高能量。一种最佳的优化组合是将超级电容器与电池组合使用，因为电源车起动时电流很大，只用电池会大大降低电池寿命，如将超级电容器与电池组合使用，不仅可以减少起动电池的使用数量，而且还优化了输出能量，增加了电池使用寿命。依据这一思维，如能将这一最优组合方式用在航空地面电源起动系统中，那么航空地面电源性能将提升到一个新的水平。
2 航空地面直流电源的输出特性
2.1 422系列电源车的简介
422系列电源车不但在航空兵场站应用越来越多，而且已经被民航机场广泛采用。它较以往的电源车在技术性能和生产工艺上都有了较大的提高，体积小，重量轻，机动性能好。
422系列电源车采用了一组航空蓄电池GB，由两块182型电瓶经减格连接而成，端电压为26 V左右。它既是柴油机起动系统的工作电源，又是电源车的直流辅助电源。当接通蓄电池“输出”开关S4时，蓄电池输出控制接触器 KM1工作，将蓄电池GB与电源车供电电路接通。当输出28.5/57V电源和“0—70 V”电源时必须合上S4。
负载特性：突然加载，由0突加到800A×2，瞬时电压不低于25.5V，3s内稳定到27.5~28.5V；突然卸载，由800A ×2突减到0，瞬时电压不高于32 V，3s内稳定到28.5~29.5 V；超载，1200A×2，电压不低于25V。
2.2 422系列电源车的缺陷以及改进设想
422系列电源车起动采用起动电动机起动方式。在起动过程中特别是在起动瞬间，由于起动电动机转速为零，不产生感生电势，故起动电流为：
其中：为蓄电池空载端电压，为起动电动机的电枢电阻、为蓄电池内阻、为线路电阻。由于、、均很小，起动电流非常大。
例如用12V、45Ah的蓄电池起动安装1.9L柴油机的电源车，经过仿真可知，蓄电池的电压在起动瞬间由12.6V降到约3.6V！起动过程的蓄电池电压波形如图2；起动瞬时的电流达550A，约为蓄电池的12倍的放电率！起动过程的蓄电池电流波形如图3（图3中纵坐标为电流传感器两端的电压值，电流传感器的电流/电压变换比率为100A/V，即5.5V代表550A）。尽管车用蓄电池是起动专用蓄电池，可以高倍率放电，但在图2中可以看出，10倍以上高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且，如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。
在起动飞机的过程中，起动电流的突变更剧烈。在某型飞机的四级起动过程中，起动电流的变化会对蓄电池带来更严重的损坏。论文大全。起动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机起动过程结束后重新上电，计算机在这个过程中非常容易死机。因此，无论从改善电源车电气设备的电磁环境还是从改善电源车的起动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善电源车电源在起动过程的性能是必要的。
问题的解决可以采取加大蓄电池容量的方案，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题，可以用于提供飞机发动机瞬间所需的冲击大电流，提高起动性能，缩短起动时间，降低起动瞬间大电流对蓄电池造成的损害，延长蓄电池的使用寿命。而且超级电容器在以内燃机为动力的422系列直流电源车上的采用可以解决电源车起动飞机发动机瞬间功率不足的技术难题。同时，在起动瞬间超级电容器对直流电源车发电系统尤其是内燃机具有很大的保护作用。
3 超级电容器在航空地面直流电源车中的应用
3.1电性能的改善
采用超级电容器与蓄电池并联时起动过程的电压波形如图4, 与图2相比采用超级电容器与蓄电池并联时起动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V；起动过程的平稳电压由7V提高到9.4V。
图4 采用超级电容器与蓄电池并联时起动过程的电压波形3.2 起动性能的改善
超级电容器与蓄电池并联应用可以提高电源车的起动性能，将超级电容器（450F/16.2V）与12V、45Ah的蓄电池并联起动安装1.9L柴油机的电源车，在10℃时平稳起动，尽管在这种情况下，当不连接超级电容器，蓄电池也可以起动，但采用超级电容器与蓄电池并联时起动电动机的速度和性能都非常的好。由于电源输出功率的提高，起动速度由仅用蓄电池时的起动速度300rpm，增加到450rpm；尤其在提高电源车冷天的起动性能（更高的起动转矩）上，超级电容器是非常有意义的，在-20℃时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常起动或需多次起动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。
3.3 对蓄电池应用状态的改善
超级电容器与蓄电池并联时，由于超级电容器的等效串联电阻（ESR）远低于蓄电池的内阻，因此，在起动瞬间起动电流大部分由超级电容器提供，有效地降低了蓄电池极板的极化，阻止了蓄电池内阻的上升使起动过程的平稳电压得到提高。最主要的是蓄电池极板极化的减轻不仅有利于延长蓄电池的使用寿命，而且也可以消除频繁起动对蓄电池寿命的影响。
4 结论
以上是对超级电容器在航空地面电源上应用的可行性分析。超级电容器已经在国民经济各个部门有了广泛的应用，如配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电起动系统；用作高压开关设备的直流操作电源，用于铁路驼峰场道岔机后备电源；用于电传动装甲车辆的制动能量回收和起步加速电源以及军工车辆发动机的电起动装置；用于重要用户的不间断供电系统；用于风力及太阳能发电系统。论文大全。这些事实充分证明了超级电容器的良好性能。可以预见，随着超级电容器在航空地面电源上应用的不断深入，有可能缩短我军电源保障装备与航空主战装备的巨大差距，更好地保障航空主战装备。
参考文献
1 42Volt Super-Capacitor Provides Cranking Amps to Integrated Starter Alternator. FrankLev. Tavrima Canada Ltd, April 12,2002
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[关键词] 混合动力客车；储能元件；应用方案
能源与环境已成为目前全球最关注的问题之一，自2009年我国“十城千辆”正式推广示范以来，低碳节能受到了国内各界的广泛关注，越来越多的客车企业都积极的投身到研究节能与新能源车型的洪流当中，而混合动力客车更是其中的被研究的主角。
混合动力车型具有节能、低排放、少污染、清洁、低噪声等多项优点。除了电机、电控系统外，当前的混合动力客车的另一个关键技术在于储能元件。目前混合动力车型使用的储能元件主要分为两种：超级电容和电池。它们具有不同的性能与特点，各有优缺点；超级电容具有优异的功率性能，而电池具有良好的储能性能。
近年来，随着混合动力技术的推广创新，在储能元件的应用方面也是不断的发展。目前在实际的使用中，主要有3种储能方式：①使用超级电容作为储能；②使用电池作为储能；③将两者结合起来，采用超级电容+电池的结构。
对于不同的使用场合，选用不同的储能方式，扬长避短，是实现混合动力客车储能方案优化的有效途径。
1 超级电容
1.1 超级电容的分类
超级电容也称为双电层电容、黄金电容、法拉电容和电化学电容等，是一种介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的新型的储能装置。其是依靠电解质与电极接触界面上形成的特有的双电层结构储存能量。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
根据电极材料的不同，超级电容可以分为3类：
（1）炭电极双电层超级电容；
（2）金属氧化物电极超级电容；
（3）有机聚合物材料电机超级电容；
根据电解液的不同，可将超级电容分为2类：
（1）有机电解液超级电容；
（2）水基溶液超级电容；
目前，典型的超级电容的比能量一般为11W•h/kg，比功率一般为304 W/kg[1]，循环使用寿命可达为10 000次。
目前，在节能与新能源车型上应用较多的超级电容有2种：一种是以活性炭微粒作为正负极材料的“碳基超级电容”，一种是以氧化镍为正极、活性炭为负极的“杂化超级电容”。国内使用基本上为“碳基超级电容”，代表公司有美国MAXWELL、韩国LS、上海三玖等。
1.2 超级电容的特点
超级电容具有充放电快速、功率释放能力强、清洁无污染、长寿命等显著特点。
超级电容能在充电10s～600s可达到其额定容量的95％以上，短时间内释放和吸收高功率，同时其能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%、充放电次数多，循环使用寿命最多可达百万次，且没有“记忆效应”、工作温度区域广，温度范围宽-40～+70℃。并且具有较高的安全系数，长期使用时免维护。
超级电容与电解电容比较数据见表1。
电池的发展经历了一个多世纪的时间，属于一种化学能源，目前在混合动力客车上普遍使用的电池主要有：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等
2.1.1铅酸电池
铅酸电池的正极物质是二氧化铅，负极物质为呈海绵状的铅，电解液为稀硫酸。铅酸电池在充放电时，硫酸不断增多减少。因此可以通过测量硫酸的比重来估计铅酸电池的状态。
目前铅酸电池能量密度一般为30～40W•h/kg，功率密度一般为150～200W/kg，循环使用寿命一般为500～700次，完全充电时间一般大于8h[2]。
铅酸电池作为混合动力储能元件，具有价格低廉、相对安全的优势，但是其存在废液污染严重的问题，并且循环使用寿命低，同时由于其能量密度和功率密度均较低，使用时需要较多的数量，从而增加了车辆的自重。
2.1.2镍氢电池
镍氢电池的正极活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时),负极活性物质为H2（放电时）和H2O（充电时），电解质一般采用KOH碱性水溶液[3]。
镍氢电池能量密度可达55 W•h/kg，功率密度一般为190W/kg，循环使用寿命为铅酸电池的两倍，快速充电时间短，温度使用范围可达-40℃到85℃，但其标称电压较低，为1.2 V [2]。
镍氢电池被称为“绿色电池”，不存在重金属污染问题，其能量密度和功率密度均高于铅酸电池，同时充放电效率高，循环使用寿命相对较长，安全性高，但是在混合动力客车上使用时存在成本高的问题，同时其单体电压较低，自放电损耗大，对环境温度敏感以及镍氢电池的“记忆效应”都不利于其在混合动力客车上的使用。
2.1.3锂离子电池
锂离子电池主要是通过Li+在正负极间的嵌入与脱嵌形成充电和放电过程，其正负极均是由Li+的化合物或材料组成。其中，正极一般采用LiXCoO2,LiXNiO2,LiFePO4或LiMn2O4等锂化合物，负极采用锂-碳层间化合物LiXC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液[3]。
锂离子电池能量密度约达100W•h/kg，功率密度约200 W/kg，循环使用寿命可到2 000次，单体电压高于3 V [2]。
目前在混合动力客车上使用的，较多的是采用LiFePO4和LiMn2O4作为正极材料的锂电池，因为上述2种材料相对其他锂化合物材料具备较高的能量密度，同时相对安全、价格较低、资源相对丰富等优势。
锂离子电池是所有可充电电池中综合性能最好的一种电池，在功率及容量方面均具有较大优势，但是，锂离子电池应用于混合动力客车也同样存在一些问题：价格高、快速充放电性能差、电池单体一致性能不好、过充过放容易发生危险等。
几大类电池的汇总表格见表2。
2.2 电池的特点
电池最大的特点就是具有良好的储能能力，储存电量多，对于混合动力客车来说，可以提供较长久的电驱动能力。但是，由于目前技术的限制，电池还是存在着质量大、使用寿命短、燃爆风险、充放电能力较弱，充放电效率较低等等的问题。
目前国内市场使用较多的是锂电池，表3中给出了钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池的优缺点比较数据。
3 混合动力客车常用储能元件应用方案
3.1 只使用超级电容作为储能元件
如图1所示，目前成熟应用纯超级电容储能方案的国内厂家主要有厦门金旅。这种结构只使用超级电容作为储能元件，利用超级电容充放电速度快、充放电效率高的特性，可以充分吸收车辆制动时所产生的瞬间大功率电流，有利于制动能量有效的回收控制。相比于带动力电池的混合动力系统，该方案大大减轻了整车的重量[4]，降低成本，并且综合故障率低。
图1 纯超级电容结构
由于超级电容本身容量限制，其储存的电量有限，在某些需要持续电驱动的工况下，会出现电量不足而导致车辆停驶怠速补电的现象。这种结构极适用于较平坦的城市公交路线。
3.2 只用电池作为储能元件
国内外的较多的客车厂家都尝试过此方案。由于铅酸电池的能量密度、功率密度的限制，目前选用的电池以镍氢电池和锂电池居多。国外较多选用的是镍氢电池，而国内则较多选用磷酸铁锂电池作为储能元件。
在图2结构中，电池作为储能元件，与能量转换装置（如图中所示DC/DC变换器或DC/AC变换器）电气连接。电池储存电量多，具备持续放电能力，但其快速充放电能力较弱，充放电效率相比超级电容较低。实际使用中，有些客车厂家采用Plug-in的可外接充电式结构，整车需要进行长时间的外充电以补充电量，同时由于增加了充电配套及管理装置，系统结构复杂性及成本相应增加。此外，单纯电池作为储能元件的应用方案，电池频繁工作，使之使用寿命缩短，且具有燃爆风险。
图2 纯电池结构
3.3 同时使用电池和超级电容作为储能元件
如图3所示，将超级电容和电池结合使用，可以通过各自的控制电路来实现两者的充电放电介入时刻。这种结构结合了超级电容和电池各自的优点，改善了车辆的性能，但是系统结构、控制方式则更为复杂。目前电池和超级电容结合使用，主要有以下2种方式：
图3 超级电容+电池结构
3.3.1电池为主、超级电容为辅的结构
国内的也有较多的客车厂家选择这种结构，如黄海、五洲龙等。
在这种结构中，通常使用高容量的电池为主，辅以较少数量的超级电容。电池作为主要的储能元件，车辆在加速时所需的瞬间大功率电流主要由超级电容提供，同时车辆在刹车过程中所产生的回收电流也通过超级电容吸收。电池在放电过程中处于相对平稳的状态，避免了瞬间大电流的充放电现象。
但是在这种结构中，电池的用量较多，电池本身的一些缺陷也需要考虑解决。如电池均衡性问题，电池本身的自重问题。同时电池参与工作的时间较长，还需要考虑电池的温度敏感性，电池的安全性等。长时间的工作还会影响电池的使用寿命。
3.3.2超级电容为主、电池为辅的结构
使用这种结构的客车厂也是以厦门金旅为代表，厦门金旅在其原有的超级电容为主的方案中，结合了超级电容和电池的实际使用情况，推出了此种结构。
在这种结构中，超级电容作为主要的储能元件，车辆加速及制动所产生的瞬间大电流主要由超级电容承担，使用容量较少的电池，作为辅助储能元件。电池在大部分时间不参与工作，只有特殊的情况下（如超级电容损坏或超级电容亏电）才介入系统使用。
在这种结构中，电池的使用时间较少，同时电池的用量也可以控制在较少的范围内，可以尽量减少电池出现问题的几率。但是当出现特殊情况时，就需要电池提供长时间的大电流输出，对于电池的单体一致性、温升等性能的提出了较高的要求。
4 结语
随着技术的发展，超级电容和电池的性能将进一步的提升并走向成熟，新型的储能元件也将逐渐的出现，混合动力客车储能元件的应用方案也将越来越多。
在现有的科技水平下，针对不同的使用情况，结合不同的储能元件的特性，选择适用的混合动力客车储能元件的连接方案，进而控制车辆制造成本及改善混合动力客车的行驶性能，不失为一种明智的选择。
参考文献：
[1] (波兰)安东尼•所左曼诺夫斯基. 混合动力城市公交车系统设计[M]. 何洪文, 译. 北京：北京理工大学出版社, 2007.
[2] 边耀璋.汽车新能源技术[M].北京:人民交通出版社,2003.
[3] 陈全世,朱家琏,田光宇.先进电动车技术[M].北京:化学工业出版社,2007.
关键词 回馈制动；超级电容；双向DC/DC变换器；MATLAB/Simulink
中图分类号U46 文献标识码A 文章编号 1674—6708（2012）76—0123—02
0引言
超级电容器是20世纪七八十年代逐渐发展起来一种新兴储能器件，与电池储能相比，具有充放电电流不受限制，响应速度快，循环使用寿命长，环境友好等优点。
随着新能源汽车研究的兴起，制动能量回收作为延长其续驶里程一种可行方法备受人们关注，本文针对如何在不影响蓄电池性能的情况下对制动能量进行储存和释放这一问题，设计了一种基于超级电容器存储，利用单片机控制的制动能量缓存装置。仿真结果表明，该设计可有效实现制动能量的存储与释放。
1超级电容存储单元
超级电容器的单体电压电容值较低，一般需要进行串并联组合才能达到要求的电压与电容等级。但单体器件参数差异，串联单体电容电压在工作过程中的存在不一致现象，导致一部分单体电容电压偏低，容量不能被充分利用，而另一部分电压过高，内部电解液发生分解而失效。因此，需要进行串联均压处理，来提高电容器的容量利用率和安全性。
超级电容串联技术，就其工作原理可大致分为稳压管法、开关电阻法、飞渡电容器电压均衡法和电感储能电压均衡法等方法，各有其优缺点与适用场合。本文采用均衡效果相对较好单飞渡电容器电压均衡法，利用一个小容量的普通电容器作为中间储能单元，将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移，适合在电动汽车等中小功率的应用场合中使用[1]。
2硬件电路设计
2.1双向DC/DC变换器
由于在电机回馈制动系统中没有隔离和绝缘的要求，故采用由IGBT、快恢复二极管与储能电感组成的非隔离型双向半桥DC/DC变换器。它具有开关元件电流电压应力小，有源元器件导通损耗小，元器件数量少及电路结构简单等优点。
2.2缓冲电路
利用电容电压与电感电流不能突变的特性，本文设计了一种缓冲电路，抑制开关元器件在开关瞬间的电压与电流变化率，同时把吸收的能量传递给负载，其原理图如图1所示。电感L1，电容C1、C2以及二极管D1，D2，D3组成缓冲电路，要求电感和电容的谐振频率远远高于开关管频率，二极管反向恢复时间足够小。
2.3控制电路
ATMEGA48作为主控芯片，产生的PWM控制信号，经光耦隔离后，调节开关管S1与S2，并通过电流、电压及温度传感器对装置的瞬态运行状况进行监测。
2.4元器件参数选取
为避免开关元件的损坏，变换器一般工作在连续导电模式下，且开关元器件的耐压值应是实际峰值的1.5～2倍。因此需确定储能电感的参数，以保证其在升压模式（Boost）与降压模式（Buck）下均能储存足够能量。两种模式下电感计算公式分别为：
与分别为双向DC/DC变换器高压侧和低压侧的电压；（、、）和（、、）分别为Buck与Boost运行模式下的占空比、工作频率及电感脉动电流。
由（1）（2）可得储能电感值：
滤波电容直接影响负载R的电压脉动，以电压的极限脉动量为临界值，选用最大占空比可求得电容极大值为：
3控制策略分析
超级电容存储单元串接在变换器的低压侧，高压侧接入电机驱动电路的直流母线。当电机启动或加速时，开关管S1工作，变换器处于Boost模式，可提供额外功率支持。电机减速或制动时，开关管S2工作，变换器处于Buck模式，超级电容器对制动能量进行吸收存储。同时通过温度传感器对超级电容采取实时温度监测，当大于临界值时，即执行中断程序。
3.1 Buck模式
采用超级电容侧充电电流环和电压环的双闭环PI控制。当电容电压较低时，电压环输出值饱和，此时超级电容处于恒流充电状态；而当超级电容电压达到预定值时，电压环起作用，此时处于恒压充电状态。图2为Buck模式下变换器控制框图。
3.2 Boost模式
采用超级电容侧充电电流环和高压侧输出电压外环的双闭环PI控制。参考电压设置与蓄电池电压同步相同。图3为Boost模式下变换器控制框图。
4实验与仿真
利用MATLAB/Simulink构建电动汽车制动能量缓存装置的仿真模型。其仿真参数为：高压侧为初始电压300V的电容，超级电容容量12.5，串联内阻0.28，并联内阻10，参考充电电压和电流为70V与50A，储能电感0.01H，滤波电容0.001F，输出参考电压200V。
图4为Buck模式下低压侧电压波形，图5为Boost模式高压侧输出电压波形。
5 结论
本文在双向DC/DC变换电路的基础上，设计了一种基于超级电容的制动能量缓存装。仿真结果表明，可有效实现回馈制动能量的存储与释放，具有一定的实际应用价值。
参考文献
[1]李海东.超级电容器模块化技术的研究[D].北京：中国科学院电工研究所博士论文，2006.
[2]吴延平.超级电容器储能系统的直流变换技术研究[D].大连：大连理工大学硕士论文，2011.
[3]王司博，韦统振，齐智平.超级电容器储能的节能系统研究[J].中国电机工程学报，2010，30（9）：105—110.
[4]任炼文，熊佳.电动公交车用超级电容器的研究[J].电池工业，2006，11（4）：237—247.